1. Основные определения и светотехнические величины

Излучение (радиация) является одной из форм существования материи в виде электромагнитного поля. Все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, излучают в окружающее пространство лучистую энергию. Лучистая энергия имеет одновременно электромагнитную и квантовую природу. Переносится эта энергия не в виде непрерывных магнитных волн, а квантами (фотонами).

Основной характеристикой излучения является длина волны

, (1.1)

где с – скорость света (в вакууме 299 792 458 м/с;

v – частота электромагнитных колебаний, Гц.

По длине волны различают: радиоволны; инфракрасное излучение; видимое излучение; ультрафиолетовое излучение; рентгеновское излучение; -излучение.

Область электромагнитных излучений с длиной волны от 1 нм до 1 мм называют оптическим излучением.

Оптическая область спектра делится на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную.

Ультрафиолетовое излучение – оптическое излучение, длины волн примерно от 1 до 380 нм ( или ).

Инфракрасное излучение имеет длины волн от 760 нм до 1 мм.

Видимое излучение (свет) – излучение, которое, попадая на сетчатую оболочку глаза, может вызвать зрительное ощущение.

Видимое излучение имеет длины волн в пределах 380 – 760 нм (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Видимая часть спектра

Видимая часть спектра состоит из следующих цветных полос:

– красный – 760…630 нм;

– оранжевый – 630…600 нм:

– желтый – 600…570 нм;

– зеленый – 570…490 нм;

– синий – 490…450 нм;

– голубой – 450…430 нм;

– фиолетовый – 430…380 нм.

На практике приходится чаще всего иметь дело с телами, излучающими свет сложного спектрального состава, состоящего из волн различной длины. Энергия видимых излучений воздействует на светочувствительные элементы глаза и производит световое ощущение, интенсивность которого зависит от мощности излучения и длины волны. Это объясняется разной чувствительностью глаза к излучениям с различными длинами волн. При одинаковой мощности излучений каждой из длин волн наибольшее световое ощущение возникает при излучении желто-зеленого цвета с длиной волны 555 нм. Синее излучение той же мощности воспринимается примерно в 20, а красное в 50 раз слабее.

Освещение характеризуется количественными и качественными показателями.

К количественным показателям относятся: световой поток, сила света, ярость, освещенность, коэффициент отражения.

К качественным – фон, контраст объекта, видимость, показатель ослепленности, коэффициент пульсации освещенности.

Основной величиной, характеризующей искусственное освещение, является световой поток.

Световой поток (Ф) – мощность светового излучения (видимого излучения), которая оценивается по световому ощущению, воспринимаемому глазом человека.

Единица светового потока – люмен (лм) Люмен, равный потоку, излучаемому абсолютно черным телом с площади 0,5305 мм² при температуре затвердевания платины (1773˚С).

. (1.2)

Сила света точечного источника. Пространственная плотность светового потока называется силой света

. (1.3)

При равномерном распределении светового потока в пределах телесного угла, имеющего конечные размеры, сила света в направлении оси угла

, (1.4)

Единица силы света – кандела (кд).

Кандела равна силе света, испускаемого в перпендикулярном направлении с площади в 1/600 000 м² черного тела при температуре затвердевания платины и давлении 101 325 Па.

Тогда световой поток в 1 лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным источником с силой света 1 кандела.

Телесный угол  – часть пространства, ограниченная конической поверхностью (рис. 1.2). Величина телесного угла определяется как отношение площади сферической поверхности S, на которую он опирается, к квадрату радиуса сферы r.

. (1.5)

Рис. 1.2. Телесный угол

Единица телесного угла – стерадиан (ср). Величина телесного угла в 1 ср представляет собой телесный угол, который вырезает на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса данной сферы.

Освещенность. Световой поток, падая на любую поверхность, освещает ее. Для количественной оценки плотности светового потока на освещаемой поверхности пользуются понятием освещенности.

Освещенность (Е) – отношение светового потока к площади, освещаемой им поверхности

. (1.6)

За единицу освещенности принят люкс (лк). Освещенность в 1 лк имеет поверхность в 1 м² на которую падает и равномерно по ней распределяется световой поток в 1 лм.

Яркость. Световой поток от источника света, падая на поверхность какого-либо предмета, частично ею отражается. При наблюдении в глаз наблюдателя попадает лишь часть отраженного светового потока от поверхности предмета, вызывающая зрительное восприятие. Чем больше отраженного светового потока от поверхности предмета попадает в глаз наблюдателя, тем сильнее зрительное ощущение этого предмета. Освещенный предмет будет лучше виден тогда, когда его поверхность будет отражать больше светового потока в направлении глаза наблюдателя. Условия видения количественно характеризуются величиной яркости.

Яркость освещаемой поверхности в каком-либо направлении называется отношение силы света, излучаемой поверхностью в данном направлении, к площади проекции освещаемой поверхности на плоскость перпендикулярно тому же направлению (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Яркость поверхности

Если лучи от плоскости освещаемой поверхности, направленные к глазу человека, перпендикулярны этой поверхности, то яркость освещаемой поверхности

, (1.7)

где L – яркость;

I – сила света, перпендикулярная освещаемой поверхности, кд;

S – площадь поверхности, м².

Понятие яркости применимо не только к освещенным поверхностям, но и к источникам света.

Единицей яркости служит кандела на квадратный метр (кд/м²).

Источник света, имеющий форму шара диаметром D и излучающий равномерно во все стороны силу света, обладает яркостью

, (1.8)

Световые свойства тел. Световой поток Ф, падая на какое-либо тело в общем случае частично отражается от его поверхности, частично преломляется (проходит через тело), частично им поглощается. По закону сохранения энергии

, (1.9)

где  отраженная часть светового потока;

 поглощенная часть светового потока;

 световой поток, пропущенные через тело.

Отношение каждого из составляющих светового потока к световому потоку, падающему на поверхность, называют коэффициентом отражения , поглощения , и пропускания :

; ; .

Очевидно, что

. (1.10)

Различают три вида отражения и пропускания света телами:

– направленное;

– рассеянное (диффузное);

– направленно-рассеянное (рис. 1.4).

Тела с гладкой блестящей поверхностью обладают направленным или зеркальным отражением – зеркало, полированная поверхность.

Тела прозрачные обладают направленным пропусканием – стекло.

Тела, которые отражают или пропускают свет, рассеивая его настолько, что их яркость становится одинаковой по всем направлениям пространства, обладают соответственно диффузным отражением – мел, гипс, известь или диффузным пропусканием – матовое стекло.

Рис. 1.4. Разновидности отражения и пропускания светового потока

Фон – Поверхность, прилегаемая к объекту различия, на которой он рассматривается.

Фон характеризуется коэффициентом отражения, зависящем от цвета и фактуры поверхности, значения которого находятся в пределах 0,02…0,95. Фон считается светлым при коэффициенте отражения поверхности более 0,4; средним – от 0,2 до 0,4; темным – менее 0,2.

Контраст объекта – отношение абсолютной величины разности между яркостью объекта и фона к яркости фона:

, (1.11)

где и – яркость соответственно объекта и фона.

Контраст объекта считается большим при К более 0,5 (объект и фон резко отличаются по яркости), средним при К от 0,2 до 0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости), малым – при К менее 0,2 (объект и фон мало отличаются по яркости).

В зависимости от сочетания характеристик фона и контраста объекта с фоном разряды зрительной работы разделяются на подразряды.

Видимость – универсальная характеристика качества освещения, которая характеризует способность глаза воспринимать объект. Зависит от освещенности, размера объекта, его яркости, контраста объекта с фоном, длительности экспозиции.

Видимость V определяется числом пороговых контрастов в контрасте объекта с фоном:

, (1.10)

где К – контраст объекта с фоном;

– пороговый контраст, наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличимым.

Показатель ослепленности – критерий оценки слепящего действия осветительной установки определяемый выражением:

, (1.12)

где S – коэффициент ослепленности, равный отношению видимости объекта соответственно при экранировании и при наличии блеских источников в поле зрения.

Коэффициент пульсации освещенности – критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока газоразрядных ламп при питании их переменным током, определяемый по формуле:

, (1.13)

где и – соответственно максимальное и минимальное значения освещенности за период ее колебания, лк;

– среднее значение освещенности за этот же период, лк.